Antibiotika-Archiv in den Zähnen
Zahnstein ist ein Archiv der Menschheitsgeschichte. Ein Team des WSS-Projekts Paläobiotechnologie hat nun darin mithilfe einer eigens entwickelten Analyseplattform antimikrobielle Moleküle identifiziert, ihre Evolution dokumentiert – und erstmals ein solches potentielles Antibiotikum erzeugt und seine Wirksamkeit getestet.
Der menschliche Mund ist ein komplexes Ökosystem. Hunderte von Bakterienarten leben dort, konkurrieren miteinander und halten sich gegenseitig im Gleichgewicht. Eine zentrale Rolle spielen dabei sogenannte antimikrobielle Peptide (AMPs) – kleine Eiweissmoleküle, mit denen Bakterien andere Mikroorganismen bekämpfen. Es sind natürliche Antibiotika. Genau solche Moleküle stehen im Mittelpunkt des Forschungsprojekts Paläobiotechnologie in Jena, das die Werner Siemens-Stiftung (WSS) seit sechs Jahren unterstützt.
Das Forschungsteam um den Chemiker Pierre Stallforth und die Archäogenetikerin Christina Warinner hat sich zum Ziel gesetzt, antibiotisch wirkende Stoffe aus frühzeitlichen Skelettfunden wieder herzustellen, um daraus Medikamente gegen resistente Keime zu entwickeln. Die Forschenden nutzen dafür die Tatsache, dass das Erbgut von Bakterien im Zahnstein besonders gut konserviert ist. In einer viel beachteten Studie im Fachmagazin «Science» zeigten sie vor drei Jahren erstmals auf, dass es möglich ist, aus dem Zahnstein von Frühmenschen Naturstoffe herzustellen, die vor 100‘000 Jahren von Bakterien produziert worden waren.
Seither hat das Team riesige Fortschritte gemacht, wie eine kürzlich publizierte Studie im Fachmagazin «Journal of the American Chemical Society» (JACS)* belegt: Die Forschenden nutzten eine von ihnen entwickelte Bioinformatik-Pipeline, um antimikrobielle Peptide direkt und automatisiert aus dem bakteriellen Erbgut im Zahnstein von Frühmenschen zu identifizieren. Und es gelang ihnen erstmals, uralte Moleküle zu rekonstruieren, die antimikrobielle Eigenschaften aufweisen.
Systematische Suche in Datenbergen
Die Forschenden analysierten für die Studie die DNA aus über 100 Zahnsteinproben verschiedener Epochen: von heutigen Menschen, aus archäologischen Funden von Menschen und Neandertalern – und sogar von Schimpansen, Gorillas und Brüllaffen. Die ältesten untersuchten Proben waren über 100‘000 Jahre alt. In solch riesigen Erbgut-Datenmengen die Gensequenzen antimikrobieller Peptide zu finden, ist allerdings kompliziert. Millionen möglicher Kandidaten verstecken sich in den Genomen. «Heute existierende Identifizierungs-Tools weisen meist zu viele falsch-positive und falsch-negative Ergebnisse auf», sagt Pierre Stallforth.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein neues Analysewerkzeug namens AMPcombi. Es kombiniert sechs bestehende Tools, gleicht ihre Ergebnisse ab und filtert automatisiert die wahrscheinlichsten antimikrobiellen Peptide heraus. Der Filterprozess stellt sicher, dass die Kandidatensequenzen die Kriterien erfüllen, von denen man weiss, dass sie für wirksame antimikrobielle Eigenschaften erforderlich sind. Bei alten Gensequenzen analysiert das Programm zudem, ob sie auch wirklich Anzeichen für bestimmte DNA-Schäden aufweisen, von denen bekannt ist, dass sie im Laufe der Zeit auftreten.
Eine solche frühzeitige Eliminierung von «Fehlalarmen» ist laut Christina Warinner sehr wichtig. «Falsch-positive Ergebnisse verlangsamen die Forschung und erhöhen die Laborkosten erheblich», sagt sie. AMPcombi beschleunige die Entdeckung antimikrobieller Peptide deutlich. Die Forschenden filterten damit Millionen möglicher Kandidaten systematisch und ordneten sie ein. «Wir konnten uns viel schneller und effizienter auf die vielversprechendsten AMP-Kandidaten konzentrieren, die im Labor getestet werden sollten», sagt Warinner.
Uralte Wirkstoffe neu erzeugt
Letztlich identifizierten die Forschenden auf diese Weise 78 Gen-Cluster mit insgesamt 1669 mutmasslichen antimikrobiellen Peptiden. Die überwältigende Mehrheit liess sich einer Bakterien-Gattung namens Actinomyces zuordnen. Diese Mikroorganismen gehören seit mindestens 40 Millionen Jahren zum Kernbestandteil der Mundflora und spielen eine zentrale Rolle bei der Bildung von Zahnbelag. Die antimikrobiellen Peptide, die sie produzieren, werden «Actifensine» genannt.
Die Forschenden verglichen die Strukturen und genetischen Varianten dieser Actifensine, wobei sie unterschieden zwischen «paleo-Actifensinen» aus sehr alten Proben und «modernen Actifensinen» aus jüngerer Zeit. Es zeigte sich ein faszinierendes Muster: Manche dieser Moleküle sind über Zehntausende von Jahren hinweg nahezu unverändert geblieben. Andere haben sich deutlich verändert – offenbar passten sie im Lauf der Zeit ihre Wirkung neuen Bedingungen im Mundraum und neuen mikrobiellen Konkurrenten an. «Es ist das erste Mal, dass jemand die Entwicklung eines antimikrobiellen Mittels im Laufe der menschlichen Evolution direkt dokumentieren konnte», sagt Christina Warinner.
Um zu prüfen, ob diese evolutionären Veränderungen auch funktionelle Folgen haben, stellten die Forschenden einige Actifensine mit biotechnologischen Methoden her und testeten sie im Labor. Tatsächlich wiesen diese Actifensine antimikrobielle Eigenschaften auf. «Es zeigte sich, dass moderne Actifensine andere Aktivitätsspektren haben als ihre uralten Vorläufer», erklärt Pierre Stallforth. Auch dies ist ein Novum für die Forschung: Erstmals gelang es, antimikrobielle Peptide aus dem Zahnstein von Frühmenschen quasi zum Leben zu erwecken und ihre Wirksamkeit nachzuweisen. «Welche konkreten Bakterien die Hauptziele dieser uralten Wirkstoffe sind, wissen wir allerdings noch nicht», sagt Christina Warinner.
Evolution des Mund-Mikrobioms
Die Studie eröffnet einen möglichen Weg zur Bekämpfung einer der grössten medizinischen Herausforderungen unserer Zeit: der Antibiotikaresistenzen. Immer mehr Bakterien sind gegen gängige Medikamente unempfindlich, neue Wirkstoffe werden kaum entwickelt. Antimikrobielle Peptide könnten eine Alternative darstellen. Einer ihrer Vorteile sei, dass sie leicht zu modifizieren seien, sagt Pierre Stallforth. Das würde die Entwicklung neuer Varianten vereinfachen, um Resistenzen zu umgehen. Ausserdem weiss man, dass viele antimikrobielle Peptide die bakterielle Zellwand oder Zellmembran angreifen. «Ihre Wirkungsweise erfordert es möglicherweise, dass Bakterien grosse Veränderungen vornehmen müssten, um Resistenzen zu erzeugen», sagt Stallforth.
Die aktuelle Arbeit des Paläobiotech-Teams ist aber auch eine Reise in die Vergangenheit: Um antimikrobielle Peptide bestmöglich zu nutzen, sei ein Verständnis ihrer Evolution entscheidend, sagt Pierre Stallforth. «Wenn wir verstehen, wie sich diese Moleküle auf die orale Mikrobengemeinschaft auswirken, können wir allgemeine Grundsätze ableiten, die uns möglicherweise unerwartete Hinweise darauf geben, wie wir antimikrobielle Peptide am besten verwenden.»
Nicht zuletzt verdeutlicht die Studie laut den beiden Forschenden, wie wichtig eine enge Zusammenarbeit verschiedener Forschungszweige ist, um die Wissenschaft voranzubringen. «Der Erfolg dieser Arbeit beruht auf dem engen Austausch zwischen Bioinformatikern und Wissenschaftlern im Labor», sagt Pierre Stallforth. Und Christina Warinner ergänzt: «Das ist die Art von Forschungsergebnissen und Fortschritten, die nur möglich sind, wenn interdisziplinäre Teams täglich eng zusammenarbeiten.»
